光學投影法高溫熱膨脹儀

一、簡介

依陽公司的CTE 101 光學高溫熱膨脹儀是一種非接觸式材料膨脹和收縮性能測試儀器，采用了非接觸位移光學投影測量技術，可以實現(xiàn)高溫甚至超高溫（2500℃以上）條件下的線性位移和變形測量。 依陽公司的CTE 101 光學高溫熱膨脹儀采用得是試樣直立束縛式結構，規(guī)避了目前國內(nèi)外水平試樣無約束結構存在的試樣位置移動問題，使得測試結果更可靠更準確。 光學高溫熱膨脹儀是依陽公司采用非接觸光學投影測量技術的自主研發(fā)產(chǎn)品，使得光學熱膨脹測量儀器更具有擴展性，可以根據(jù)不同要求和技術指標建立起相應的光學非接觸熱膨脹測試設備。

光學投影系統(tǒng)中的光源配備的是高強度氮化鎵綠色 LED，綠色光束均勻且安全并只含有極少雜波，即使在高溫物體發(fā)光的背景中也能產(chǎn)生的解析度。綠色 LED 點光源經(jīng)過光學系統(tǒng)形成平行光束，有效的防止了目標物位置改變而造成鏡頭放大倍率地波動，并可確保測量精度。光學探測器采用了高速CCD可以獲得的采樣速度，目標物觀測器采用了CMOS 影像傳感器，可提供逼真的樣品影像和小巧的外形。

為了保證高溫和超高溫的實現(xiàn)以及光學探測系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，依陽公司的CTE 101光學高溫熱膨脹儀配備了恒溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)，使得試樣的起始溫度和光學探測系統(tǒng)的工作溫度總是保持恒定，有效提高了測量精度和測試數(shù)據(jù)的規(guī)范性。

光學高溫熱膨脹測試原理圖

二、技術指標

（1）試樣高度： 1～30mm。

（2）試樣截面尺寸： （矩形）3×3~10×10mm 或（圓形）φ3~φ10mm。

（3）長度變化范圍： 29mm。

（4）長度測量精度：±2 μm。

（5）長度測量重復性：±0.5μm

（6）采樣速度：2000次/秒。

（7）溫度范圍：RT~1400℃（其它溫度范圍需要定制，溫度可到-180℃，溫度可到3000℃）。

（8）氣氛環(huán)境：真空、空氣和惰性氣體。

三、特點

1. 依陽公司的CTE 101光學高溫熱膨脹儀，由于采用了光學投影法這種非接觸測量方法，并配套了相應的真空系統(tǒng)，基本上可以實現(xiàn)任何溫度范圍和任何氣氛環(huán)境下的材料熱膨脹性能測量，可以測量大多數(shù)材料的熔點，而且可以測量試樣在化學反應和變化過程中的熱膨脹性能，這個特點對于燒蝕類復合材料的熱膨脹性能評價尤為重要。為了提高300℃以下的熱膨脹測量精度，加熱方式可以采用流體加熱方式，如水浴、油浴。

2. 依陽公司的CTE 101光學高溫熱膨脹儀，采用的是束縛式豎直試樣安裝方式，避免了熱應力對試樣位置偏移的影響，保證了試驗的可靠性和測量精度。試樣的起始長度自動測量和保存，便于線性熱膨脹系數(shù)的計算。

3. 束縛式豎直式試樣安裝方式，結合相應的透明容器，可以實現(xiàn)液體、粉體、膏狀物和固液相變轉換過程中測量。

4. 光學投影法具有很強的擴展性，除了可以滿足線性位移變形的測量需要外，還可以對面內(nèi)變形和位移進行測量，這個特點可以實現(xiàn)材料的軟化點，球狀、半球狀及融化溫度及粘度的測量，具備了高溫顯微鏡的功能。同時，可以通過擴展光束的方法實現(xiàn)超大尺寸試樣的測量。

5. 采用了人機界面操作系統(tǒng)，使得整個儀器的集成化程度更高操作更簡便，試驗數(shù)據(jù)自動存儲在U盤內(nèi)，也可以通過計算機進行分析處理。

四、應用

1. 依陽公司CTE 101光學高溫熱膨脹儀常溫下穩(wěn)定性性考核試驗

真空腔體和探測器水冷溫度控制設定為20℃，穩(wěn)定性考核試驗4天。

2. 國內(nèi)外光學投影法位移測量應用中存在的誤區(qū)

（1）測試過程中“被測試樣處于無接觸力狀態(tài)”的誤區(qū)

目前國際市場上的光學投影法熱膨脹儀，被測試樣都是水平放置形式，試樣安裝和固定所采用的方法是簡單的將試樣直接放置在均勻加熱區(qū)域內(nèi)，并不進行任何約束，由此測量的是試樣與平行光正交的截面內(nèi)的試樣長度。

水平放置試樣的優(yōu)點是試樣整體的溫度相對比較均勻，減少了重力對溫度場的影響。但這種均勻并不是的并有前提條件，由于不同試樣材料的熱導率不同，在溫度變化過程中試樣上還是照樣會存在溫度梯度，溫度的均勻性只是體現(xiàn)在恒溫狀態(tài)下會更好。

在測試過程中，只要試樣上存在溫度梯度就會產(chǎn)生熱應力，而這個熱應力往往會使得試樣發(fā)生無法預料的扭曲和不規(guī)則變形，而這些扭曲和不規(guī)則變形則會改變被測試樣的原始放置位置，體現(xiàn)在測試曲線上就是會產(chǎn)生跳變。如果發(fā)生微小的跳變，就說明測試是失敗的。

根據(jù)我們大量的試驗發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象更多的是發(fā)生在復合材料和非均質材料的熱膨脹性能測量中。依據(jù)我們多年的測試經(jīng)驗，任何熱膨脹測試過程中，無論試樣是水平還是豎直放置，無論是采用頂桿法還是非接觸測量方法，被測試樣必須進行適當約束，使得試樣只在所關心的方向上發(fā)生變形，而在其它方向上受到一定的約束。

（2）光學投影法測量位移是一種法的誤區(qū)

光學投影法是基于激光掃描法發(fā)展起來的一種測量方法，激光掃描法是通過測量激光掃描速度和激光掃描通過試樣兩個端面所需要的時間來計算獲得試樣兩個端面的長度。速度和時間的測量可以進行計量校準和標定，可以進行計量溯源，因此，激光掃描法是一種測量方法。

光學投影法則是通過平行光投射到試樣后所形成的陰影，陰影經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦后成像到光電探測器上，由光電探測器檢測陰影邊緣并進行軟硬件細分處理后，最終得到兩個陰影邊緣之間的距離。由此可見，光學投影法測量出的陰影長度是由光學聚焦縮小倍數(shù)、探測器物理單元分辨率和軟件細分系數(shù)等眾多物理量相乘的結果，而這些物理量并沒有經(jīng)過任何形式的計量校準，探測器的測量不確定也僅僅是對一個標準量塊進行標定獲得，而不是用覆蓋量程范圍的標準量塊進行標定。

非接觸光學方法測試位移和變形的測試方法只有激光掃描法和激光干涉法。

五、應用報告

（1）金屬粉末注射成型：成型工藝中燒結變形的測試評價技術需求

（2）混凝土公路設計中的熱膨脹系數(shù)

（3）美國重大事故——美國混凝土熱膨脹系數(shù)測試方法重大錯誤的驗證和分析

（4）低溫環(huán)境混凝土熱膨脹系數(shù)測試技術研究